現(xiàn)場ESD+MVB總線故障分析與測試策略

馬振球 褚伊郎君

（1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070；3．中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司電務(wù)處，上海，200071）

1 概述

多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus，MVB)是針對(duì)車輛內(nèi)部功能設(shè)備數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線，是列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Train Communication Network，TCN)的核心部分之一。MVB總線分為固定大小的基本周期，每個(gè)基本周期又由周期相和偶發(fā)相組成，這樣既可傳送對(duì)時(shí)間有確切要求的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以處理偶發(fā)緊急數(shù)據(jù)[1]。這種方式較好地滿足列車控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。目前國內(nèi)的CRH系列動(dòng)車組中，CRHI、CRH3和CRHs均大量采用基于MVB標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。作為MVB總線的一種，ESD+ MVB總線得到了廣泛應(yīng)用。其物理層采用隔離的RS-485差分信號(hào)，傳輸距離達(dá)200 m，主要適用于同一車廂內(nèi)短距離的列車設(shè)備通信。

ESD+ MVB總線通信系統(tǒng)的高效可靠傳輸是列車設(shè)備正常運(yùn)行的基本前提。由于列車車載設(shè)備眾多，總線信道環(huán)境一般較為惡劣，受到的干擾較多。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，線纜和設(shè)備元器件本身的性能會(huì)有所下降。列車長期的振動(dòng)環(huán)境會(huì)對(duì)線纜連接可靠性造成不利影響。列車定期檢修時(shí)維護(hù)人員可能需要對(duì)總線進(jìn)行插拔，不規(guī)范的操作有可能會(huì)造成連接器縮針或不穩(wěn)定等。上述因素都降低了ESD+MVB總線的可靠性，提升了列車設(shè)備的故障率。

為提高總線的可靠性，目前主要有兩個(gè)研究方向。一是從總線傳輸原理的角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)階段盡量提高總線的抗干擾性和通信性能，即在源頭預(yù)防總線通信故障的發(fā)生。文獻(xiàn)[2]從物理層的角度分析雙絞線傳輸性能對(duì)總線通信質(zhì)量的影響，文獻(xiàn)[3]專門對(duì)MVB主站的周期掃描表最優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，用以提高總線系統(tǒng)的傳輸效率。文獻(xiàn)[4]和[5]則從總體角度對(duì)總線進(jìn)行性能分析。二是在列車設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)及檢修維護(hù)階段，通過測量定位和消除總線故障。文獻(xiàn)[6]使用Duagon公司的MVB協(xié)議分析裝置D412進(jìn)行總線協(xié)議分析，該設(shè)備主要應(yīng)用于開發(fā)階段的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，并不適用于現(xiàn)場總線通信故障處理。文獻(xiàn)[7]研究如何在有限時(shí)間內(nèi)通過測試獲得更為準(zhǔn)確的誤碼率，有助于分析總線的通信質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]說明如何通過總線注入故障的方法判斷設(shè)備功能是否正常。文獻(xiàn)[9]從底層實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)以及監(jiān)視數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕獲解析功能。上述文獻(xiàn)都側(cè)重于從總線通信系統(tǒng)的某一方面進(jìn)行研究，但考慮到發(fā)生通信故障的原因復(fù)雜且隱蔽，現(xiàn)場測試環(huán)境較為受限，維修人員更多需要的是一套行之有效的測試策略和方法，用于快速有效地完成故障的定位和排查。全面考察各失效原因?qū)偩€通信的影響，據(jù)此給出明確的故障測試策略，用于指導(dǎo)現(xiàn)場維修人員進(jìn)行故障處理。

2 ESD+MVB總線

ESD+MVB總線分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)，與設(shè)備的核心功能相關(guān)，所傳輸?shù)妮d荷數(shù)據(jù)由用戶自身定義，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這里對(duì)其不進(jìn)行描述。

ESD+MVB物理層采用隔離RS-485總線，最大總線長度為200 m，每段最多連接32個(gè)設(shè)備。數(shù)據(jù)編碼采用曼徹斯特編碼方式，通信速率固定為1.5 Mbit/s，在總線上傳輸?shù)娜鐖D 1所示的固定幾種碼型[1]。

圖1 ESD+MVB總線傳輸碼型

總線線纜使用差分線對(duì)雙絞屏蔽走線，線纜每米不得少于12個(gè)絞合對(duì)，線纜的差分阻抗為120 Ω±10%@0.75 MHz～3 MHz。線纜的損耗指標(biāo)為 ＜10 dB/km@1 MHz，＜14 dB/km@3 MHz，差分線對(duì)間的分布電容＜65 pF/m@1 MHz。若使用冗余A/B總線，A/B兩個(gè)差分線對(duì)之間的串?dāng)_抑制指標(biāo)為＞55 dB@0.75 MHz～3 MHz。發(fā)送時(shí)，設(shè)備會(huì)同時(shí)往A/B兩個(gè)總線上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，接收時(shí)，各設(shè)備選擇自身所認(rèn)可的單獨(dú)A或B總線進(jìn)行接收處理?？偩€拓?fù)滏溌返氖孜苍O(shè)備需要分別加上終端匹配電路，既用于將空閑總線設(shè)置為明確的低電平，又可提供長距離總線的終端120 Ω匹配，防止信號(hào)反射，提升波形質(zhì)量。終端匹配電路如圖 2所示。

圖2 ESD+MVB總線終端匹配電路

ESD+ MVB數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制采用主從控制方式，在同一時(shí)刻總線只能存在唯一的主設(shè)備，其他設(shè)備均為從設(shè)備。主設(shè)備以周期輪詢的方式發(fā)送主幀，總線上的所有設(shè)備均可接收到主幀，并根據(jù)自身配置發(fā)送從幀。為增加可用性，總線上可能存在多個(gè)主設(shè)備，它們以令牌方式交換總線控制權(quán)[1]，以確保在同一時(shí)刻僅有一個(gè)主站在工作。

總線傳輸報(bào)文只有主幀和從幀兩種。主站設(shè)備先傳輸主幀，從站設(shè)備隨后傳輸從幀。一個(gè)從幀之前必定有一個(gè)主幀，但一個(gè)主幀不一定尾隨一個(gè)從幀。主從幀的數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 MVB主、從幀數(shù)據(jù)格式

主幀的長度固定為33位，包括9位主起始分界符，4位F碼，12位地址以及8位CRC校驗(yàn)序列。從幀可能有 5 種長度：33、49、81、153、297位，包括9位從幀起始分界符，5種長度分別對(duì)應(yīng)16、32、64、128或256位的數(shù)據(jù)以及CRC校驗(yàn)序列。具體主幀的數(shù)據(jù)類型如表1所示。

表1 MVB主幀類型

3 故障原因及影響分析

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的故障對(duì)總線有不同的影響。一種典型的ESD+ MVB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，下面將結(jié)合該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)不同的故障原因及其影響進(jìn)行分析。圖中共存在3個(gè)從設(shè)備，1個(gè)主設(shè)備。設(shè)備以菊花鏈的方式進(jìn)行總線互聯(lián)，D1和D2分別為各設(shè)備的DB9總線接口。從設(shè)備1和從設(shè)備3分別位于總線的首尾兩端，并進(jìn)行了總線端接。

圖4 典型的ESD+MVB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在總線物理層，各故障原因及其對(duì)應(yīng)的影響列舉如下。

1）原因：線纜屏蔽層不理想，或者屏蔽層線纜接地不理想。

影響：總線出現(xiàn)偶發(fā)性通信故障，特別是在列車大功率牽引制動(dòng)設(shè)備或空調(diào)設(shè)備等開啟或關(guān)閉瞬間，出現(xiàn)較為明顯的誤碼率升高的情況，且出現(xiàn)錯(cuò)誤的端口呈現(xiàn)均勻分布。

2）原因：線纜介質(zhì)出現(xiàn)老化或質(zhì)量下降。

影響：總線出現(xiàn)偶發(fā)性通信故障，數(shù)據(jù)誤碼率偏高，使用專用的線纜測試儀器，可測得其分布參數(shù)不符合MVB總線規(guī)范要求。

3）原因：總線斷開或連接器斷開。

影響：將導(dǎo)致斷開位置的下游設(shè)備無法收到主幀數(shù)據(jù)或從幀數(shù)據(jù)。例如，若主設(shè)備的D2連接器斷開，則從設(shè)備2、3無法收到主、從幀數(shù)據(jù)。若從設(shè)備1的D2連接器斷開，則從設(shè)備2、3仍然可以收到主幀數(shù)據(jù)，但無法收到從設(shè)備1發(fā)送過來的從幀數(shù)據(jù)。

4）原因：設(shè)備連接器出現(xiàn)縮針，導(dǎo)致總線信號(hào)接觸不良。

影響：將導(dǎo)致總線出現(xiàn)偶發(fā)性通信故障，特別是在設(shè)備晃動(dòng)的情況下，出現(xiàn)較為明顯的誤碼率升高的情況，且出現(xiàn)錯(cuò)誤的端口呈現(xiàn)均勻分布。

5）原因：終端匹配電阻阻值出現(xiàn)較大偏差，或者出現(xiàn)斷路或短路情況。

影響：將導(dǎo)致總線空閑電平出現(xiàn)異常，不再符合規(guī)范，并且由于總線兩端的匹配電阻與線纜差分阻抗不匹配，導(dǎo)致總線波形失真，通信質(zhì)量下降，誤碼率明顯升高，且出現(xiàn)錯(cuò)誤的端口呈現(xiàn)均勻分布。

6）原因：設(shè)備硬件驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)性能下降或失效。

影響：將導(dǎo)致與該硬件相關(guān)的主、從幀波形失真或無效。若故障設(shè)備為主設(shè)備，則線纜上會(huì)存在失真的主幀，而各從幀設(shè)備由于無法識(shí)別該主幀，有可能總線上不存在其他設(shè)備發(fā)送的從幀。若故障設(shè)備為從設(shè)備3，則總線上主幀和其他設(shè)備發(fā)送的從幀正常，僅從設(shè)備3發(fā)送的從幀異常，有可能無法被其他設(shè)備識(shí)別。

在總線數(shù)據(jù)鏈路層，各故障原因及其對(duì)應(yīng)的影響列舉如下。

1）原因：主設(shè)備出現(xiàn)故障，無法發(fā)送主幀。

影響：由于沒有主幀信號(hào)，整條總線保持為空閑狀態(tài)，沒有任何總線數(shù)據(jù)。

2）原因：主設(shè)備出現(xiàn)故障，對(duì)某個(gè)端口的輪詢時(shí)間間隔出現(xiàn)抖動(dòng)。

影響：對(duì)該端口數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性無法得到保證，有可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)該端口的接收數(shù)據(jù)超時(shí)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效，影響應(yīng)用層的數(shù)據(jù)有效性判斷。

3）原因：從設(shè)備出現(xiàn)故障，無法識(shí)別主幀信號(hào)。

影響：總線上沒有出現(xiàn)該從設(shè)備作為源端口的從幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收設(shè)備無法接收到相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)。

操作上，筆者建議的是采取逢低分批買入的策略，不建議大家總是試圖想著一筆買在最低點(diǎn)，一筆賣在最高點(diǎn)。建議逢急跌、分批次、每次一點(diǎn)點(diǎn)的加倉建倉。同時(shí)，在介入前必須要做好相應(yīng)的策略應(yīng)對(duì)。每筆介入前，必須做到以下四點(diǎn)：

4）原因：從設(shè)備配置錯(cuò)誤，同一個(gè)端口號(hào)被多個(gè)從站設(shè)備配置為源端口類型。

影響：當(dāng)主站輪詢該端口時(shí)，多個(gè)從設(shè)備會(huì)同時(shí)發(fā)送該端口的從幀數(shù)據(jù)，導(dǎo)致出現(xiàn)總線沖突，該從幀幾乎全部出錯(cuò)，但其他端口的數(shù)據(jù)不受影響。

4 測試策略

根據(jù)上述分析，若發(fā)生總線通信故障，無法在應(yīng)用層通過分析日志語句直接得知故障原因，定位故障設(shè)備，現(xiàn)場維護(hù)人員應(yīng)采取先物理層后數(shù)據(jù)鏈路層的測試步驟進(jìn)行故障定位和處理。

1） 進(jìn)行物理層測試和故障定位

步驟1：在斷電情況下，測量總線電阻阻值，包括線纜差分線對(duì)間的阻抗，差分線分別和地信號(hào)的阻抗，判斷阻抗是否在正常范圍內(nèi)。如果不在正常范圍之內(nèi)，將設(shè)備逐一從總線脫離，重新測量，直至阻抗正常，所退出的設(shè)備即為故障設(shè)備。

步驟2：將兩端的匹配電阻取下，進(jìn)行電阻阻值測量，判斷阻抗是否在正常范圍內(nèi)。若不在正常范圍內(nèi)，則判斷此終端匹配電阻失效。

步驟3：在上電運(yùn)行情況下，使用示波器測試總線電平。所用示波器應(yīng)具備隔離功能，測試時(shí)應(yīng)以總線本身的地信號(hào)作為示波器探頭的地信號(hào)，需要分別測試兩個(gè)差分總線信號(hào)相對(duì)于總線地信號(hào)的電平、兩個(gè)差分信號(hào)之間的電平。判斷總線空閑時(shí)的電平和工作時(shí)的電平是否在總線規(guī)范所規(guī)定的電平標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。若總線上波形信號(hào)未發(fā)生跳變，則表示總線上沒有主幀信號(hào)，可判斷主站設(shè)備失效。若總線上某個(gè)從幀信號(hào)波形幅值存在問題，則可判斷對(duì)應(yīng)的從站設(shè)備存在故障。為進(jìn)一步確認(rèn)該從站設(shè)備為故障原因，可將該設(shè)備從總線脫離，此時(shí)總線波形信號(hào)應(yīng)會(huì)恢復(fù)正常。

步驟4：在條件允許的情況下，晃動(dòng)總線。若總線誤碼率出現(xiàn)較大幅度的跳變，則可判斷總線接頭接觸不良或者縮針。

2） 進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的測試和故障定位

步驟1：使用示波器查看波形，確認(rèn)總線上存在主幀信號(hào)若不存在，則可確定是主站設(shè)備出現(xiàn)故障。

步驟2：使用總線分析儀等專用數(shù)據(jù)采集工具，采集總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。

步驟3：判斷主幀數(shù)據(jù)是否存在中斷或輪詢周期跳變的情況若存在，則可判斷為主站設(shè)備出現(xiàn)故障。

步驟4：判斷從幀是否出現(xiàn)中斷響應(yīng)，或者響應(yīng)延遲時(shí)間抖動(dòng)幅度較大，某個(gè)端口的從幀出現(xiàn)較大的錯(cuò)誤概率，則可判斷該從幀對(duì)應(yīng)的從站設(shè)備出現(xiàn)故障。

5 總結(jié)和展望

當(dāng)發(fā)生總線通信故障時(shí)，現(xiàn)場維修人員更需要的是一套有效的測試方法和策略，用于快速地定位和處理故障。全面分析各種故障對(duì)總線的影響，并給出總線測試策略和確定故障設(shè)備的判斷依據(jù)。依據(jù)此策略和依據(jù)，實(shí)際現(xiàn)場已查明并解決多起電阻阻值異常故障、設(shè)備發(fā)送電路異常故障等。值得說明的是，提及的方法對(duì)于排查確定性故障有著較好的效果，但對(duì)于非確定、隨機(jī)偶發(fā)性故障，效果有所欠缺，需要后續(xù)進(jìn)行深化研究。

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